技术领域
[0001] 本
发明涉及农田水肥一体化技术领域，尤其是一种移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统及其管控方法，用于小麦、玉米等大田作物的微喷带铺放与收卷、多
肥料在线精量配肥、微喷灌水肥一体化作业。
背景技术
[0002] 水肥一体化微喷灌技术是将微喷灌与
施肥融为一体的农业新技术。水肥一体化微喷灌是借助压
力系统将可溶性固体或液体肥料，按
土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，配兑成的肥液与
灌溉水一起在可控
管道系统使水肥相融后，通过管道微孔形成
滴灌，均匀、定时、定量，浸润作物根系发育生长区域，使根系土壤始终保持疏松和适宜的
含水量，同时根据不同作物的需肥特点、土壤环境和养分含量状况以及作物不同生长期的需水、需肥规律进行设计，把水分、养分定时定量、按比例直接提供给作物。
[0003] 微喷灌技术是我国田间灌溉过程的重要节水措施。但目前灌溉系统仍然需要用户自己进行组装，用户自己组装的系统仅能对某一
块大田进行灌溉或施肥，不同的田区需要不同的系统，没有一个整体的系统可供用户直接使用，造成前期施工量大，而且施工成本高。因此微喷灌水肥一体化技术在大田农业生产中推广
进程缓慢，其原因主要有以下几方面：
[0004] 1、大田作物上应用微喷灌的水肥一体化技术时，需要在作物
播种后铺设微喷带，在
收获前收卷微喷带，人工
费用高、效率低、难以大面积推广；
[0005] 2、微喷灌溉水源工作压力和流量易
波动，不稳定，导致灌溉均匀性和灌水量不稳定；
[0006] 3、微喷灌系统虽装备有文丘里注肥器或比例式吸肥器等施肥设备，但是在水压不稳定时难以实现施肥精量控制，加之操作工序多，农民一般不愿使用；
[0007] 4、农民习惯使用的颗粒型肥料容易出现溶解不彻底，对微喷灌系统的
过滤器容易造成堵塞，
水溶性肥料价格昂贵，农户难以接受。
[0008] 综上，根据大田生产
地块分散经营的特点，针对微喷带铺卷费时费力、肥料配比不精确、水肥一体化系统投入成本高、使用效率低、不能灵活应用在不同田块等问题，迫切需要发明一种移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统及其管控方法，用于小麦、玉米等大田作物的微喷带铺放与收卷、多肥料在线精量配肥、微喷灌水肥一体化作业，这对提高水肥一体化效率和增加粮食产量有着重要现实的意义。
发明内容
[0009] 本发明针对
现有技术存在的上述不足，提供一种移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统及其管控方法，能够提供微喷带铺放与收卷、多肥料在线精量配肥、微喷灌水肥一体化作业等功能。
[0010] 一种移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统，包括移动装置、微喷带铺卷装置、精量配肥装置、首部枢纽装置、控制系统和供电电源。所述的移动装置包括电动三轮车和可移动
支架，用于系统移动以及系统中各个装置的集成；所述的微喷带铺卷装置用于铺设和收卷微喷带；所述的精量配肥装置用于精量排肥和配置浓度可控母液；所述的首部枢纽装置是对加压、调节、控制、
净化、施肥及检测等设备的集成，用于输送灌溉水和肥料母液；所述的控制系统用于控制微喷带铺卷装置、精量配肥装置和首部枢纽装置精确运行。
[0011] 所述的移动装置，包括电动三轮车以及可移动的支架。所述的电动三轮车用于系统移动行走以及安放可移动支架；所述的可移动支架用于固定综合管理系统中各个装置。
[0012] 所述的微喷带铺卷装置包括
机架、传动机构和摆动机构，微喷带铺卷装置安装在可移动支架上，用于微喷带的铺放和收卷；所述的机架用于固定摆动机构和传动机构；所述的传动机构包括
链轮传动机构、绳线传动机构和卷带轮盘传动机构三大传动机构；所述的链轮传动机构包括链轮和链条，链轮和链条将
电机、绳线传动机构和卷带轮盘传动机构连接起来，为绳线传动机构和卷带轮盘传动机构提供动力；所述的绳线传动机构安装在机架上并与电机连接，将微喷带固定在绳线上，微喷带可随绳线运动，实现微喷带铺放；所述的卷带轮盘传动机构安装在机架顶端孔内并与链轮固定在一起，将微喷带固定在卷带轮盘上，卷带轮盘转动，微喷带随之卷收在卷带轮盘上；所述的摆动机构用于微喷带收卷时排除微喷带中残留水，安装在机架上并与链轮固定在一起。
[0013] 所述的精量配肥装置位于可移动支架中部，精量配肥装置包括精量排肥机构和搅拌过滤机构，用于精量排肥和配置浓度可控母液；所述的精量排肥机构是选用现有螺旋绞龙组装成的排肥机构，安装在可移动支架上；所述的搅拌过滤机构包括V形过滤网筒和
搅拌机构，用于搅碎、溶解和过滤肥料；所述的V形过滤网筒位于母液罐内部，V型过滤网筒一端固定在母液罐顶端一侧，另一端安装在母液罐顶端罐口，便于排肥机构将肥料落入V型过滤网筒；所述的搅拌机构是将电机和爪型搅刀通过搅拌轴连接起来的机构，固定在可移动支架上，被V型过滤网筒包覆，可在V型过滤网筒内自由转动，实现搅碎并加快溶解肥料。
[0014] 所述的首部枢纽装置包括主管道、水
泵、逆止
阀、压力表、过滤器、
电磁阀、母液罐、注肥泵、母液罐进水管和母液罐出液管。所述的主管道与水泵的出水口进行连接用于输送灌溉水和肥料母液；所述的水泵固定在移动装置前部给主管道提供灌溉水和压力；所述的
逆止阀安装在水泵出水口之后的主管道上防止水泵突然停止时
水锤及水击现象对水泵造成损害；所述的过滤器包括两个相同的过滤器，分别安装在逆止阀之后的主管道和母液罐出液管上，用于过滤主管道和进入母液罐的灌溉水以及进入主管道的母液；所述的电磁阀安装在母液罐进水管上；所述的母液罐进水管是从主管道分出来的一条支路，为配置母液提供水源；所述的母液罐出液管连接注肥泵，可通过注肥泵将母液注入主管道中。
[0015] 所述的控制系统包括控制箱、主控器、排肥电机
控制器、搅拌电机控制器、铺卷电机控制器、注肥泵控制器、
变压器、WIFI模块、用户终端设备、
传感器模块、和输入输出
接口。所述的控制箱安装在移动装置后部可移动支架的下方，控制箱用于安装主控器、排肥电机控制器、搅拌电机控制器、铺卷电机控制器、变压器和WIFI模块；所述的输入输出接口用于串接主控器、排肥电机控制器、搅拌电机控制器、铺卷电机控制器、变压器、WIFI模块和传感器模块，包括光
电隔离、
信号放大以及数字IO驱动
电路；所述的变压器将发电机发出的交流电转化为控制器、电机和泵所需要的
电压；所述的WiFi模块通过所述的输入输出接口与主控器相连接，实现主控器与用户终端设备的信号收发功能；所述的用户终端设备是带有无线网卡的智能手机或
平板电脑类的
电子设备；所述的主控器选用STM32型
单片机；所述的传感器模块包括EC传感器、PH传感器、
压力传感器和流量传感器，所述的EC传感器和PH传感器安装在注肥后的主管道上，用于检测主管道内肥料母液和灌溉水混合后的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和主管道的流量；所述的排肥电机控制器一端连接主控器另一端连接排肥电机，主控器
输出信号控制排肥电机动作；所述的搅拌电机控制器一端连接主控器另一端连接搅拌电机，主控器输出信号控制搅拌电机动作；所述的铺卷电机控制器一端连接主控器另一端连接铺卷电机，主控器输出信号控制铺卷电机动作；所述的注肥泵控制器一端连接主控器另一端连接注肥泵，主控器输出信号调节注肥泵的输出流量。
[0016] 所述的供电电源包括
蓄电池和发电机；所述的
蓄电池固定在电动三路车底盘内部，为电动三路车提供
能源；所述发电机用于为注肥泵、电机和主控器提供能源。
[0017] 本发明还涉及一种移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统的控制方法，具体如下：
[0018] 1)微喷带铺卷工作：微喷带铺卷作业过程中，操作人员通过用户终端设备输出无线信号传送到WiFi模块，WiFi模块再将
信号传输至主控器上，主控器控制对信号进行处理并将信号传送到铺卷电机控制器，进而铺卷电机工作，微喷带可随着绳线沿作物种植行的方向进行铺放；当施肥灌溉全部结束时，同样操作人员通过用户终端设备输出无线信号传送主控器，主控器控制对信号进行处理并通过铺卷电机控制器控制铺卷电机反转，再将微喷带卷收起来。
[0019] 2)灌溉首部的准备工作：启动
汽油发电机，对主控器、水泵、注肥泵、排肥电机、搅拌电机和铺卷电机进行供电，将通过现有
软件开发技术编写的水肥一体化APP安装在用户终端设备中，将首部枢纽系统的主管道末端与微喷带主管道相接，将吸水管一端与水泵连接另一端放入灌溉沟渠，打开水肥一体化APP应用程序并设定EC、PH值、压力值和流量值，打开5到8个为一组的微喷带支管道上的阀
门。
[0020] 3)母液配制工作：母液配制的过程中，通过主控器控制排肥电机转速和电磁阀来实时调节母液浓度；当接收用户终端设备发来的作业指令时，先启动水泵，再由主控器控制电磁阀、搅拌电机和排肥电机工作，主管道中一部分灌溉水注入母液罐，水和肥料在母液罐中充分混合配置成母液，另一部分灌溉水流入微喷带进行先期灌溉；当母液浓度、EC和PH值达到设定值时，EC传感器和PH传感器将信号输送到主控器，主控器再控制电磁阀和排肥电机来调节进水量和排肥量；当母液排出时，母液罐中母液的浓度、EC和PH值发生变化，EC传感器和PH传感器将信号传送到主控器，主控器再通过控制排肥电机和电磁阀来控制进水量和排肥量，使母液的浓度、EC和PH值保持在一个恒定的范围内，实现母液随排随配连续作业。
[0021] 4)施肥灌溉作业：施肥灌溉的作业过程分为三个时间段，第一时间段为灌溉，第二时间段为施肥灌溉，第三时间段为灌溉，时间段的划分根据灌溉水量和施肥量确定：
[0022]
[0023] 式中：T为施肥灌溉时间，t为灌溉总时间，Q为灌溉水量，M为施肥量，q0为标定灌溉水量，m0标定施肥量。施肥灌溉过程中通过主控器控制注肥泵来调节主管道的EC和PH值，以及通过主控器控制排肥电机和电磁阀动态调节母液浓度；当接收用户终端设备发来的作业指令时，主控器控制注肥泵工作，母液注入主管道，进行中期的注肥灌溉，注肥灌溉结束后主控器控制注肥泵和电磁阀停止工作，主管道中的灌溉水继续流入微喷带进行后期灌溉，当灌溉一段时间之后，取出过滤网进行冲洗。
[0024] 本发明的有益效果：
[0025] 1)本发明可以自动配肥实现母液随排随配，提高了装置工作的连续性，省时省力。
[0026] 2)本发明结构简单，自动化程度较高，工作效率高，移动方便，不受地域限制。
[0027] 3)本发明铺卷微喷带方便，提高微喷带的铺卷
质量，提高微喷灌溉的均匀度。
附图说明
[0028] 图1为移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统结构示意图
[0029] 图2为移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统三维图
[0030] 图3为移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统微喷带铺卷装置结构示意图[0031] 图4为移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统精量配肥装置结构示意图[0032] 图5为移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统控制系统的原理
框图[0033] 图中：1、砂石过滤器 2、汽油机水泵 3、逆止阀 4、过滤器 5、压力表 6、主管道 7、流量传感器 8、EC传感器和PH传感器 9、压力传感器 10、汽油发电机 11、主控器 12、注肥泵 13、母液罐出液管 14、精量配肥装置 15、过滤网 16、母液罐 17、液面显示管 18、电磁阀 19、母液罐进水管 20、三轮
电动车 21、微喷带铺卷装置 22、搅拌器 23、可移动支架、24、机架 25、绳线传动机构 26、摆动机构 27、卷带轮盘传动机构 28、链轮传动机构 29、排肥机构 30、搅拌机构 31、V型过滤网筒
具体实施方式：
[0034] 下面结合附图对本发明
专利进行进一步的说明。本发明移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统，如图1、2、3、4所示。移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统包括移动装置、微喷带铺卷装置19、精量配肥装置14、首部枢纽装置、控制系统和供电电源。所述的移动装置包括电动三轮车和可移动支架，用于系统移动以及系统中各个装置的集成；所述的微喷带铺卷装置19用于铺设和收卷微喷带；所述的精量配肥装置14用于精量排肥和配置浓度可控母液；所述的首部枢纽装置是对加压、调节、控制、净化、施肥及测量等设备的集成，用于输送灌溉水和肥料母液；所述的控制系统用于控制精量配肥装置14和首部枢纽装置精确运行。
[0035] 所述的移动装置，包括三轮电动车20以及可移动支架23。所述的三轮电动车20用于可系统移动行走以及可移动支架23的安放，所述的可移动支架23安放于三轮电动车20之上用于其他系统的固定、集成。
[0036] 所述的微喷带铺卷装置21包括机架24、传动机构和摆动机构26，安装在可移动支架23上，用于微喷带的铺放和收卷；所述的机架24用于固定摆动机构26和传动机构；所述的传动机构包括链轮传动机构29、绳线传动机构25和卷带轮盘传动机构27三大传动机构；所述的链轮传动机构29包括链轮组和链条，将电机、绳线传动机构25和卷带轮盘传动机构27连接起来，为绳线传动机构25和卷带轮盘传动机构27提供动力；所述的绳线传动机构25安装在机架24上并与电机连接，将微喷带固定在绳线上，微喷带可随绳动，可实现微喷带铺放；所述的卷带轮盘传动机构27安装在机架24顶端孔内并与链轮固定在一起，将微喷带固定在卷带轮盘上，卷带轮盘转动，微喷带随之卷收在卷带轮盘上；所述的摆动机构26用于微喷带收卷时排除微喷带中残留水，安装在机架24上并与链轮固定在一起。
[0037] 所述的精量配肥装置14安装在的可移动支架23中部，包括精量排肥机构29和搅拌过滤机构，用于精量排肥和配置浓度可控母液；所述的的精量排肥机构29是选用现有螺旋绞龙组装成的排肥机构29，安装在可移动支架23上；所述的搅拌过滤机构用于搅碎、溶解和过滤肥料，包括V性过滤网筒31和搅拌机构30，所述的V性过滤网筒31位于母液罐16内部，V型过滤网筒31一端固定在母液罐16顶端，另一端安装在母液罐16口，便于排肥机构29将肥料落入V型过滤网筒31；所述的搅拌机构30是将电机和爪型搅刀通过搅拌轴连接起来的机构，固定在可移动支架23上，被V型过滤网筒31包覆，可在V型过滤网筒31内自由转动，实现搅碎并加快溶解肥料。
[0038] 所述的首部枢纽装置包括主管道6、水泵2、逆止阀3、压力表5、过滤器4、电磁阀18、母液罐16、注肥泵12、母液罐进水管19和母液罐出液管13。所述的主管道6与水泵2的出水口进行连接用于输送灌溉水和肥料母液；所述的水泵2固定在移动装置前部给主管道6提供灌溉水和压力；所述的逆止阀3安装在水泵2出水口之后的主管道6上防止水泵2突然停止时水锤及水击现象对水泵2造成损害；所述的过滤器4包括两个相同的过滤器4，分别安装在逆止阀3之后的主管道6和母液罐出液管13上，用于过滤主管道6和进入母液罐16的灌溉水以及进入主管道6的母液；所述的电磁阀18安装在母液罐进水管19上；所述的母液罐进水管19是从主管道6分出来的一条支路，为配置母液提供水源；所述的母液罐出液管13连接到注肥泵12，可通过注肥泵12将母液注入主管道6中。
[0039] 所述的控制系统包括控制箱、主控器11、排肥电机控制器、搅拌电机控制器、铺卷电机控制器、注肥泵控制器、变压器、WIFI模块、用户终端设备、传感器模块、和输入输出接口。所述的控制箱安装在移动装置后部可移动支架23的下方，用于安装主控器11、排肥电机控制器、搅拌电机控制器、铺卷电机控制器、变压器和WIFI模块；所述的输入输出接口用于串接主控器11、排肥电机控制器、搅拌电机控制器、铺卷电机控制器、变压器、WIFI模块和传感器模块，包括光电隔离、信号放大以及数字IO驱动电路；所述的变压器将发电机发出的交流电转化为控制器、电机和泵所需要的电压；所述的WiFi模块通过所述的输入输出接口与主控器相连接，实现主控器与用户终端设备的信号收发功能；所述的用户终端设备是带有无线网卡的智能手机或平板电脑类的电子设备；所述的主控器11选用STM32型单片机；所述的传感器模块包括流量传感器7、压力传感器9、EC传感器和PH传感器8，所述的EC传感器和PH传感器8安装在注肥后的主管道6上，用于检测主管道6内肥料母液和灌溉水混合后的EC值和PH值；所述的压力传感器9安装在主管道6末端，用于检测主管道6的压力；所述的流量传感器7分别安装在母液罐进水管19、母液罐出液管13和主管道6上，用于检测进出母液罐16和主管道6的流量；所述的排肥电机控制器一端连接主控器11另一端连接排肥电机，主控器输出信号控制排肥电机动作；所述的搅拌电机控制器一端连接主控器11另一端连接搅拌电机，主控器输出信号控制搅拌电机动作；所述的铺卷电机控制器一端连接主控器11另一端连接铺卷电机，主控器输出信号控制铺卷电机动作；所述的注肥泵12控制器一端连接主控器11另一端连接注肥泵，主控器11输出信号调节注肥泵12的输出流量。
[0040] 所述的供电电源包括蓄电池和发电机；所述的蓄电池固定在电动三路车20底盘内部，为电动三路车20提供能源；所述由发电机10用于为注肥泵12、电机和主控器11提供能源。
[0041] 本发明移动式水肥一体化精量配肥微喷灌系统的控制方法，具体如下：
[0042] 1)微喷带铺卷工作：微喷带铺卷作业过程中，操作人员通过用户终端设备输出无线信号传送到WiFi模块，WiFi模块再将信号传输至主控器11上，主控器11控制对信号进行处理并将信号传送到铺卷电机控制器，进而铺卷电机工作，微喷带可随着绳线沿作物种植行的方向进行铺放；当施肥灌溉全部结束时，同样操作人员通过用户终端设备输出无线信号传送主控器11，主控器11控制对信号进行处理并通过铺卷电机控制器控制铺卷电机反转，再将微喷带卷收起来。
[0043] 2)灌溉首部的准备工作：启动发电机10，对主控器11、汽油机水泵2、注肥泵12、排肥电机、搅拌电机和铺卷电机进行供电，将通过现有软件开发技术编写的水肥一体化APP安装在用户终端设备中，将首部枢纽系统的主管道6末端与微喷带主管道相接，将吸水管一端与水泵2连接另一端放入灌溉沟渠，打开水肥一体化APP应用程序并设定EC、PH值、压力值和流量值，打开5到8个为一组的微喷带支管道上的阀门。
[0044] 3)母液配制工作：母液配制的过程中，通过主控器11控制排肥电机转速和电磁阀18来实时调节母液浓度；当接收用户终端设备发来的作业指令时，先启动汽油机水泵2，再由主控器11控制电磁阀18、搅拌电机和排肥电机工作，主管道6中的水一部分注入母液罐
16，水和肥料在母液罐16中充分混合；当母液浓度、EC和PH值达到设定值时，EC传感器和PH传感器8将信号输送到主控器11，主控器11再控制电磁阀18和排肥电机来调节进水量和排肥量；当母液排出时，母液的浓度、EC和PH值发生变化，EC传感器和PH传感器8将信号传送到主控器11，主控器11再通过控制排肥电机和电磁阀25来控制进水量和排肥量，使母液的浓度、EC和PH值保持在一个恒定的范围内，实现母液随排随配的连续作业。
[0045] 4)施肥灌溉作业：施肥灌溉的作业过程分为三个时间段，第一时间段为灌溉，第二时间段为施肥灌溉，第三时间段为灌溉，时间段的划分根据灌溉水量和施肥量确定：
[0046]
[0047] 式中：T为施肥灌溉时间，t为灌溉总时间，Q为灌溉水量，M为施肥量，q0为标定灌溉水量，m0标定施肥量。施肥灌溉过程中通过主控器11控制注肥泵12来调节母液流量和主管道中灌溉水的EC和PH值，以及通过主控器11控制排肥电机和电磁阀18动态调节母液浓度；当接收用户终端设备发来的作业指令时，主控器11控制注肥泵12工作，母液注入主管道6，进行中期的注肥灌溉，注肥灌溉结束后主控器11控制注肥泵12和电磁阀18停止工作，主管道6中的灌溉水继续流入微喷带进行后期灌溉，当灌溉一段时间之后，取出过滤网进行冲洗。
